-
Die
Erfindung betrifft eine Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1, also mit einem Rotor, der eine drehbar gelagerte Rotorwelle,
eine mit der Rotorwelle verbundene Rotornabe und wenigstens ein
von der Rotornabe abstehendes Rotorblatt aufweist, und mit einer
Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer Drehgeschwindigkeit des
Rotors.
-
Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung einer Rotordrehgeschwindigkeit
bei einer derartigen Windenergieanlage sowie ein Verfahren zur Steuerung
einer derartigen Windenergieanlage.
-
Eine
Windenergieanlage, oftmals auch als Windkraftanlage bezeichnet,
dient der Nutzung von Windenergie, mittels welcher zunächst
deren Rotor in Drehung versetzt wird. Üblicherweise wird
die Drehung des Rotors (mechanische Energie) dann mittels eines
elektrischen Generators in elektrische Energie umgewandelt und beispielsweise
in ein elektrisches Netz eingespeist.
-
Eine
Windenergieanlage der hier interessierenden Art ist z. B. aus der
DE 101 40 793 A1 bekannt.
Eine vorteilhafte Besonderheit der bekannten Anlage besteht darin,
dass an der Rotornabe eine Verstelleinrichtung zur Verdrehung der
Rotorblätter um deren jeweilige Längsachse vorgesehen
ist, welche bei übermäßig hohen Windgeschwindigkeiten aktiviert
wird. Damit kann der Anströmwinkel an den Rotorblättern
derart verändert werden, dass die auf die Rotorblätter
wirkende Windlast verringert wird, um eine Überlastung
der mechanischen und elektrischen Komponenten der Anlage zu verhindern.
Insbesondere können die Rotorblätter hierfür
in eine so genannte Fahnenstellung gedreht werden.
-
Um
die Windenergieanlage sicher betreiben zu können, muss
demnach die Drehgeschwindigkeit des Rotors (gleichbedeutend: Rotordrehzahl
oder Rotorwinkelgeschwindigkeit) überwacht werden. Wird
die Drehgeschwindigkeit des Rotors zu hoch, besteht die Gefahr einer
Beschädigung einzelner Komponenten oder sogar eines Totalverlustes
der Anlage. Im Falle einer übermäßig
hohen Drehgeschwindigkeit können die Rotorblätter
z. B. in die Fahnenstellung gebracht werden, was die Anlage rasch
zum Anhalten bringt.
-
Eine
zuverlässige Erfassung der Drehgeschwindigkeit des Rotors
ist somit von sicherheitskritischer Bedeutung. Eine unzuverlässige
Erfassung der Drehgeschwindigkeit kann insbesondere bei höheren
Windgeschwindigkeiten zu einer Überlastung der Windenergieanlage
oder zu Unfällen führen.
-
Darüber
hinaus besitzt eine zuverlässige Erfassung der Rotordrehgeschwindigkeit
auch Bedeutung für den ordnungsgemäßen
"Normalbetrieb" der Windenergieanlage, insbesondere wenn es darum geht,
im Rahmen einer so genannten Betriebsführung der Anlage
die Windenergie besonders effizient zu nutzen und/oder eine "Lastenoptimierung"
zu gewährleisten.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erfassung der Rotordrehgeschwindigkeit bei
einer Windenergieanlage der eingangs genannten Art zu verbessern,
insbesondere im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Erfassung
und die sicherheitskritische Bedeutung dieser Erfassung.
-
Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch eine Windenergieanlage nach
Anspruch 1, ein Erfassungsverfahren nach Anspruch 17 bzw. ein Steuerungsverfahren
nach Anspruch 18. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Für
die Erfindung ist wesentlich, dass ein für die Drehgeschwindigkeit
und/oder Drehstellung des Rotors charakteristisches Messsignal durch
eine im Rotor integrierte Sensoreinrichtung erzeugt wird.
-
Vorteilhaft
wird bei der Erfindung ein für die Drehgeschwindigkeit
oder Drehstellung des Rotors charakteristisches Messsignal direkt
an derjenigen Komponente (= Rotor) erzeugt, deren Drehgeschwindigkeit
erfasst werden soll. Damit sind Störungen oder Ausfälle
der Erfassung ausgeschlossen, die bei einer "mittelbaren Erfassung"
(z. B. im Bereich eines mit dem Rotor verbundenen Getriebes oder
elektrischen Generators) auftreten können. Daher werden mit
der Erfindung eine Vielzahl von Fehlerquellen der Drehgeschwindigkeitserfassung
von vornherein beseitigt.
-
Wie
es unten noch ausführlicher beschrieben wird, besitzt die
Erfindung einen besonderen weiteren Vorteil für den Fall,
dass die betreffende Windenergieanlage eine Verstelleinrichtung
zur Rotorblattverstellung aufweist, wie sie an sich aus dem Stand
der Technik bekannt ist (vgl. z. B. die oben bereits erwähnte
DE 101 40 793 A1 ).
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Sensoreinrichtung wenigstens ein Kreiselinstrument ("Gyroskop").
-
Der
Begriff Kreiselinstrument bezeichnet hierbei einen rotierenden symmetrischen
Kreisel, der sich in einem beweglichen Lager dreht. Das bewegliche
Lager kann insbesondere von einer kardanischen Aufhängung
oder dergleichen gebildet sein, die am Rotor der Windenergieanlage
angebunden ist (z. B. fest mit einer Rotorkomponente verbunden). Aufgrund
der beweglichen Lagerung des Kreisels und der Drehimpulserhaltung
wird der Kreisel stets seinen Drehimpuls beibehalten, auch wenn
die Orientierung der Lagerung im Raum sich verändert.
-
Diese
physikalische Eigenschaft des Kreiselinstruments bzw. rotierenden
Kreisels kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in vielfältiger
Weise genutzt werden, um ein für die Drehgeschwindigkeit des
Rotors der Windengergieanlage charakteristisches Messignal zu erzeugen.
-
Beispielsweise
kann der Kreisel mit einer parallel zur Rotordrehachse sich erstreckenden
Kreiseldrehachse in Rotation versetzt werden. In diesem Fall wird
eine Änderung der Drehgeschwindigkeit des Rotors dazu führen,
dass sich (zur Drehimpulserhaltung) die relative Drehgeschwindigkeit
des Kreisels bezüglich seiner Lagerung/Aufhängung
(die mit dem Rotor der Windenergieanlage verbunden ist) im gleichen
Ausmaß ändert. Aus der relativen Drehgeschwindigkeit
zwischen Kreisel und Kreisellagerung kann somit die Drehgeschwindigkeit
des Rotors ermittelt werden.
-
Die
Relativdrehgeschwindigkeit zwischen Kreisel und Kreiselaufhängung
kann hierbei z. B. durch (z. B. optisches) Abtasten von "Winkelmarken" am
Umfang des Kreisels gemessen werden. Auch können eine oder
mehrere Winkelmarken z. B. induktiv (magnetisch) abgetastet bzw.
beim Passieren eines Detektors erfasst werden. Eine andere Möglichkeit
zur Messung der Drehgeschwindigkeit des Rotors bzw. der Erzeugung
eines dafür charakteristischen Messsignals besteht z. B.
darin, die Relativdrehgeschwindigkeit des Kreisels bezüglich
der Kreiselaufhängung durch eine geregelte Drehenergiezufuhr
bzw. -abfuhr auf einem konstanten Wert zu halten und das Messsignal
aus einer Messung der zugeführten bzw. abgeführten
Energie zu ermitteln.
-
Falls,
gemäß einer anderen Ausführungsform,
der Kreisel mit einer nicht-parallel zur Rotordrehachse sich erstreckenden
Kreiseldrehachse in Rotation versetzt wird, so kann alternativ oder
zusätzlich ein anderer Effekt (bzw. der "vektorielle Anteil"
der Drehimpulserhaltung) zur Messung der Drehgeschwindigkeit des
Rotors herangezogen werden. Aufgrund der beweglichen Lagerung des
Kreisels und der Drehimpulserhaltung versucht der Kreisel stets
seinen Drehimpuls und somit seine Drehachsenorientierung beizubehalten,
auch wenn die Orientierung der Lagerung im Raum sich verändert. Jede
Drehung des Rotors im Raum führt dann zu einer entsprechenden
Verdrehung der Kreiselachse bezüglich der Kreiselaufhängung.
Durch eine Messung (z. B. optisch, magnetisch etc.) letzterer Verdrehung
kann dann wieder das gewünschte Messsignal erzeugt werden.
-
Die
vorstehend erläuterten Messprinzipien sind lediglich beispielhaft
zu verstehen. Im Rahmen der Erfindung können vorteilhaft
sämtliche Messprinzipien und konstruktiven Details zur
Bestimmung der Drehgeschwindigkeit des Rotors eingesetzt werden, wie
sie an sich aus den Anwendungsgebieten für Kreiselinstrumente
bzw. Gyroskope an sich bekannt sind (z. B. Kreiselinstrumente bzw.
"Kurskreisel" im Bereich der Luft- und Raumfahrt).
-
In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung
wenigstens einen "Laserkreisel" umfasst.
-
Wie
der oben beschriebene mechanische Kreisel erlaubt der Laserkreisel
ebenfalls die Messung einer Drehbewegung ohne Bezug auf einen externen
(stationären) Bezugspunkt. Das Funktionsprinzip ist jedoch
ein ganz anderes. Bei einem Laserkreisel umlaufen zwei kohärente
Lichtstrahlen einen gemeinsamen Weg in entgegengesetzter Richtung (z.
B. mittels einer Strahlumlenkung mit mindestens drei Spiegeln oder
in gekrümmten Lichtleitern wie z. B. Glasfasern). Durch
eine Auskopplung der beiden Lichtstrahlen auf ein gemeinsames Flächenelement können
an diesem Flächenelement (z. B. fotoelektrischer Detektor)
Interferenzen gemessen und ausgewertet werden. In an sich bekannter
Weise kann durch die Messung der sich aufgrund der Interferenzen
ergebenden Lichtintensität die Drehgeschwindigkeit bezüglich
einer Achse ermittelt werden, die durch die Geometrie der beiden
Lichtwege bestimmt ist.
-
Falls
die beiden Lichtstrahlen beispielsweise eine ebene Fläche
umlaufen, so kann nach diesem Prinzip die Drehgeschwindigkeit bezüglich
der Flächennormalen bestimmt werden. Ist nämlich
die Lichtschleife in Ruhe, so entsteht ein konstantes Interferenzsignal.
Demgegenüber verursacht eine Drehung der Lichtschleife
eine Phasenverschiebung zwischen den interferierenden Lichtstrahlen,
die von der Drehgeschwindigkeit abhängt ("Sagnac"-Interferometer).
-
Wie
bei dem oben beschriebenen Kreiselinstrument kann im Rahmen der
Erfindung auch für den Laserkreisel auf an sich bekannte
Messprinzipien und konstruktive Details zurückgegriffen
werden. Sowohl für den mechanischen Kreisel als auch den
"optischen Kreisel" kann eine Kreiselachse vorgesehen sein, die
parallel zur Rotordrehachse verläuft, insbesondere z. B.
koaxial zur Rotordrehachse, oder nicht-parallel zur Rotordrehachse.
-
In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung
wenigstens einen Beschleunigungssensor umfasst.
-
Auch
derartige Sensoren sind aus vielen anderen technischen Anwendungsgebieten
bekannt und bedürfen daher hier keiner detaillierten Erläuterung.
Insbesondere kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf mikromechanische
bzw. halbleitertechnologisch hergestellte Beschleunigungssensoren
bzw. Drehratensensoren zurückgegriffen werden.
-
Beispielsweise
mit einem außerhalb der Rotordrehachse angeordneten Beschleunigungssensor,
der die momentane Beschleunigung in einer radialen Richtung misst,
kann aufgrund der Abhängigkeit der Zentrifugalbeschleunigung
von der Rotordrehgeschwindigkeit auf letztere geschlossen werden.
Falls eine nicht-vertikale Rotorachse vorgesehen ist (z. B. eine
horizontale Rotorachse), so enthält das Sensorsignal vorteilhaft
auch einen sich bei der Drehung des Rotors ändernden Erdbeschleunigungsanteil,
der bei der Auswertung des Sensorsignals berücksichtigt
werden kann.
-
In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung
wenigstens einen Neigungssensor umfasst. Auch mit einem solchen
Sensor lässt sich ein für die Drehstellung und
somit (nach zeitlicher Ableitung) ein für die Drehgeschwindigkeit des
Rotors charakteristisches Messsignal erzeugen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
die Sensoreinrichtung wenigstens einen in so genannter MEMS("micro-electro-mechanical
system")-Technologie gefertigten Sensor umfasst.
-
Mit
der MEMS-Technologie lassen sich platzsparend und sehr kostengünstig
mechanische und elektrische bzw. elektronische Komponenten zur Bildung
eines für die Erfindung einsetzbaren Sensors zusammenfassen.
Derartige MEMS-Sensoren, bei denen es sich insbesondere um Drehungs-,
Beschleunigungs- oder Neigungssensoren (oder eine Kombination davon)
handeln kann, sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt und
bedürfen daher hier keiner detaillierten Erläuterung.
Bekannte Anwendungen derartiger MEMS-Sensoren sind z. B. zusätzliche
Fahrzeugbewegungserfassung bei einem GPS-Navigationssystem, Fahrzeugbewegungserfassung
(insbesondere z. B. Erfassung einer Gierrate) für elektronische
Fahrzeugstabilitätssysteme ("EPS"), Drehungs- bzw. Neigungserfassung
für Handbedienteile von Spielekonsolen etc.
-
Bei
MEMS-Sensoren zur Erfassung einer Drehgeschwindigkeit wird zumeist
eine mechanische Struktur in Schwingung versetzt und diese Schwingung
im Hinblick auf das Auftreten eines Coriolis-Effekts ausgewertet
wird. Es wird also eine Corioliskraft bzw. Coriolisbewegung zur
Erfassung einer Drehgeschwindigkeit herangezogen. Dies macht bei
diesen Sensoren im Allgemeinen eine rotierende Struktur (Kreisel)
entbehrlich. Der Aufbau ist vereinfacht. Ein MEMS-Drehratensensor
der hier interessierenden Art wird z. B. von der Fa. Analog Devices
unter der Modellbezeichnung "ADXRS150" kommerziell angeboten.
-
Bei
MEMS-Sensoren zur Erfassung einer Neigung bzw. Drehstellung wird
im einfachsten Fall ein Beschleunigungssensor eingesetzt, der auf
die Erdbeschleunigung anspricht, wobei die damit gemessene Beschleunigung
von der Drehstellung des Sensors abhängig ist.
-
In
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Sensoreinrichtung dazu
ausgebildet, zusätzlich ein Messsignal zu erzeugen, welches
charakteristisch für eine Drehstellung und/oder Drehgeschwindigkeit eines
Maschinengehäuses an einer Windenergieanlage mit horizontaler
Rotordrehachse ist.
-
In
einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst die in dem Rotor
integrierte Sensoreinrichtung mehrere Sensoren, die vom gleichen
oder von unterschiedlichem Sensortyp sein können (vgl.
z. B. die obigen Beispiele für Sensortypen).
-
Die
Anordnung einer Mehrzahl von Sensoren kann z. B. vorteilhaft zur
Erhöhung der Messgenauigkeit und/oder zur Schaffung einer
Redundanz bei der Drehgeschwindigkeitserfassung genutzt werden.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die
Sensoreinrichtung wenigstens einen Sensor, der in der Rotornabe
untergebracht ist. Insbesondere in diesem Fall ist die Rotornabe
bevorzugt gehäuseartig ausgebildet.
-
Einer
oder mehrere Sensoren der Sensoreinrichtung können auf
der Rotordrehachse liegend angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich
können ein oder mehrere Sensoren im Abstand von der Rotordrehachse
angeordnet sein, sei es innerhalb der Rotornabe oder außerhalb
der Rotornabe, insbesondere z. B. in einem oder mehreren Rotorblättern.
-
In
einer Ausführungsform umfasst die Sensoreinrichtung mehrere
Sensoren, deren Sensorsignale einer gemeinsamen Auswertung zugeführt
werden.
-
Jedes
einzelne Sensorsignal oder ein aus mehreren Sensorsignalen abgeleitetes
Auswertungssignal kann einer Plausibilitätsüberprüfung
unterzogen werden. Damit können insbesondere Störfälle
der Drehgeschwindigkeitserfassung erkannt werden, etwa um in einem
solchen Fall geeignete Sicherheitsmaßnahmen zu treffen.
-
In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung
einen Teil einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Windengergieanlage bildet
oder mit einer solchen Steuereinrichtung verbunden ist. Damit kann
das für die Drehgeschwindigkeit des Rotors charakteristische
Messsignal vorteilhaft bei der Steuerung bzw. Betriebsführung
und Überwachung der Windenergieanlage genutzt werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
die Steuereinrichtung im Falle einer übermäßig
hohen Drehgeschwindigkeit und/oder einer übermäßigen
Drehgeschwindigkeitsänderung eine Veränderung
wenigstens eines Betriebsparameters der Windenergieanlage bewirkt.
-
Ein
solcher Betriebsparameter kann z. B. die Stellung des oder der Rotorblätter
bezüglich der Rotornabe sein. Windengergieanlagen der hier
interessierenden Art umfassen oftmals eine Verstelleinrichtung zur
Verstellung des bzw. der Rotorblätter bezüglich
der Rotornabe. Im Falle einer übermäßig
hohen Drehgeschwindigkeit bzw. einer übermäßig
hohen Geschwindigkeitsänderung (die eine baldige Drehzahlüberhöhung
befürchten lässt) kann z. B. bewirkt werden, dass
das bzw. die Rotorblätter in eine das auf den Rotor ausgeübte
Drehmoment verringernde Position, insbesondere eine Fahnenposition
gebracht werden.
-
Falls
eine derartige Verstelleinrichtung vorgesehen ist, so umfasst die
damit bewirkbare Verstellung bevorzugt eine Verdrehung des Rotorblattes
um eine im Wesentlichen in Längsrichtung des Rotorblattes
sich erstreckende Verstellachse. Derartige Verstelleinrichtungen
bzw. "Pitch-Systeme" sind aus dem Stand der Technik hinreichend
bekannt und involvieren zumeist eine elektrisch oder hydraulisch antreibbare
Drehlagerung der proximalen Rotorblattenden an der Rotornabe.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass ein Verbringen der Rotorblätter
in die so genannte Fahenstellung ausgelöst wird (sofort
oder verzögert), falls die gemessene Drehgeschwindigkeit
des Rotors einen kritischen Schwellwert überschreitet.
Dieselbe Sicherheitsmaßnahme kann getroffen werden, wenn eine
anhand der erfassten Drehgeschwindigkeitssänderung des
Rotors sich ergebende Voraussage der Drehgeschwindigkeit ergibt,
dass eine kritisch hohe Drehgeschwindigkeit droht.
-
Alternativ
oder zusätzlich zu der vorstehend erläuterten
bedarfsgerechten Verstellung eines ganzen Rotorblattes kann auch
eine Verstellung lediglich eines Teils des oder der Rotorblätter
vorgesehen sein, sei es z. B. in einem mittleren Bereich eines Rotorblattes
oder in einem radial äußeren Bereich eines Rotorblattes.
-
Die
Verwendung der gemäß der Erfindung erfassten Rotordrehzahl
ist keineswegs auf die Auslösung von Sicherheitsmaßnahmen
wie z. B. einer Sicherheitsabschaltung einzelner Komponenten oder der
gesamten Windenergieanlage beschränkt. Vielmehr besitzt
die Erfindung auch Vorteile im normalen Betrieb der Anlage, weil
durch die erhöhte Erfassungszuverlässigkeit die
Wahrscheinlichkeit für die Erfassungsstörungen
von vornherein verringert wird und die Anlage tendentiell genauer
und langanhaltender in einem "optimalen Arbeitspunkt" betrieben werden
kann. Hinsichtlich eines optimalen Arbeitspunktes sind in der Praxis
insbesondere die Energieumwandlungseffizienz sowie eine die Lebensdauer der
Anlage verlängernde Belastungsoptimierung interessant (z.
B. Vermeidung von Überlastung und Belastungsspitzen).
-
Die
Erfindung kann sowohl für drehzahlkonstante als auch drehzahlvariable
Windenergieanlagen vorteilhaft eingesetzt werden.
-
Im
Normalbetrieb der Windenergieanlage kann die betreffende Steuereinrichtung
zur Optimierung der Umwandlungseffizienz z. B. auch das Ausmaß einer
Umwandlung der durch die Drehung des Rotors bereit gestellten Energie
(z. B. mittels eines elektrischen Generators) in Abhängigkeit
von der momentanen Rotordrehgeschwindigkeit beeinflussen. Die momentane
Drehgeschwindigkeit des Rotors ist für jede auf hohe Wandlungseffizienz
ausgerichtete Betriebsführung von größter
Bedeutung, so dass die vorliegende Erfindung sowohl hinsichtlich der
Sicherheit als auch hinsichtlich der Energieeffizienz bzw. Belastungsoptimierung
Bedeutung besitzt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung einer
Drehgeschwindigkeit eines Rotors einer Windenergieanlage ist dadurch
gekennzeichnet, dass ein für die Drehgeschwindigkeit und/oder
Drehstellung des Rotors charakteristisches Messsignal durch eine
im Rotor integrierte Sensoreinrichtung erzeugt wird. Eine derartige
Erfassung der Drehgeschwindigkeit kann vorteilhaft bei der Steuerung
der Anlage berücksichtigt werden.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben.
Es stellen dar:
-
1 eine
Seitenansicht einer Windenergieanlage gemäß eines
Ausführungsbeispiels,
-
2 eine
Vorderansicht eines Rotors der Windenergieanlage von 1,
-
3 eine
der 2 entsprechende Ansicht für einen Rotor
gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
-
4 eine
der 2 entsprechende Ansicht für einen Rotor
gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
und
-
5 eine
Darstellung des Gesamtsystems einer Windenergieanlage.
-
1 zeigt
eine Windenergieanlage 10 von einem sehr weit verbreiteten
"Horizontalachsentyp", umfassend einen vertikal aufragenden Turm 12 und ein
an der Spitze des Turms in einer horizontalen Ebene drehbar gelagertes
Maschinengehäuse 14, an welchem wiederum um eine
horizontale Rotordrehachse 16 drehbar ein Rotor 18 gelagert
ist.
-
Der
Rotor 18 umfasst eine am Maschinengehäuse 14 um
die Rotordrehachse 16 herum drehbar gelagerte Rotorwelle 20,
eine mit der Rotorwelle verbundene Rotornabe 22 und drei
radial von der Rotornabe abstehende Rotorblätter 24-1 bis 24-3,
von denen in 1 zwei erkennbar sind und mit 24-1 und 24-2 bezeichnet
sind. Die Bezugszahlen von in einer Ausführungsform mehrfach
vorgesehenen, in ihrer Wirkung jedoch analogen Komponenten (wie
z. B. die mehreren Rotorblätter), sind durchnumeriert (jeweils
ergänzt durch einen Bindestrich und eine fortlaufende Zahl).
Auf einzelne solcher Komponenten oder auf die Gesamtheit solcher
Komponenten wird im Folgenden auch durch die nicht-ergänzte
Bezugszahl Bezug genommen.
-
Die
Rotorblätter 24-1 bis 24-3 sind seitens
ihrer proximalen Enden in Umfangsrichtung äquidistant (in
Winkelabständen von 120°) über ein jeweiliges antreibbares
Drehlager 26-1 bis 26-3 an der Rotornabe 22 angebracht.
-
Wenn
der Rotor 18 durch den an den Rotorblättern 24 angreifenden
Wind in Drehung um die Rotorachse 16 versetzt wird, so
wird die durch die Drehung der Rotorwelle 20 bereit gestellte
mechanische Engerie durch eine (nicht dargestellte) Getriebe- und Generatoranordnung
in elektrische Energie umgewandelt.
-
Um
die Windenergieanlage 10 effizient und sicher betreiben
zu können, muss die Drehgeschwindigkeit des Rotors 18 bei
seiner Rotation um die Rotorachse 16 (z. B. Drehwinkelgeschwindigkeit
oder Drehzahl) überwacht werden. Durch die Erfassung der
Drehgeschwindigkeit des Rotors 18 kann einerseits die Betriebsführung
durch eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung optimiert werden
und andererseits eine zuverlässige Abschaltung der Anlage 10 bei übermäßig
großen Windgeschwindigkeiten gewährleistet werden.
-
Bei
einer Abschaltung der Windenergieanlage 10 kann z. B. vorgesehen
sein, dass die Rotorblätter 24 durch jeweils zugeordnete,
in der gehäuseartigen Rotornabe 22 untergebrachte
Verstelleinrichtungen in die so genannte Fahnenposition gedreht
werden, bei welcher die Rotordrehung rasch zum Erliegen kommt. Alternativ
kommt auch in Betracht, jeweils einen Teilabschnitt der Rotorblätter 24 zu
verstellen bzw. zu verdrehen (auch z. B. zusätzliche Klappen
etc.).
-
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei solche Verstelleinrichtungen
vorgesehen, mittels welchen die Rotorblätter 24 elektrisch
oder hydraulisch um eine im Wesentlichen in Längsrichtung
des Rotorblattes bzw. in einer radialen Richtung des Rotors 18 verlaufende
Achse gedreht werden können.
-
Eine
Besonderheit der Windenergieanlage 10 besteht darin, dass
eine Sensoreinrichtung 30 umfassend wenigstens einen Sensor 32 im
Rotor 18 integriert ist, also zusammen mit dem Rotor mitrotiert, und
ein für die Drehgeschwindigkeit des Rotors 18 charakteristisches
Messsignal erzeugt, welches der Steuereinrichtung der Anlage 10 zugeführt
wird.
-
Ein
Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 30 kann hierbei unmittelbar
die Drehgeschwindigkeit des Rotors angeben. Alternativ kann diese
Information auch nach einer geeigeten Auswertung gewonnen werden.
Wesentlich ist, dass die direkte Messung im Bereich des Rotors 18 in
der Praxis zahlreiche Fehlerquellen der Drehzahlerfassung ausschließt,
welche bei einer indirekten Messung zu befürchten wären
(z. B. bei einer Messung im Bereich des elektrischen Generators
im Maschinengehäuse 14).
-
Bei
der dargestellten Ausführungsform ist der Sensor 32 koaxial
zur Rotordrehachse 16 und innerhalb der Rotornabe 22 angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor 32 z.
B. als MEMS-Drehratensensor ausgebildet.
-
Das
Sensorsignal kann in einfacher Weise z. B. über eine elektrische
Leitungsanordnung (alternativ z. B. Funkverbindung) einer Auswertung
in einer Steuereinrichtung zugeführt werden, die im Maschinengehäuse 14 untergebracht
ist. Eine elektrische Leitungsanordnung, welche den (rotierenden)
Rotor 18 mit dem (nicht-rotierenden) Maschinengehäuse 14 verbindet,
ist bei Windenergieanlagen der hier dargestellten Art oftmals ohnehin
vorgesehen, etwa um elektrische Stellmotore oder Hydraulikelemente (z.
B. Magnetventile) der drei Verstelleinrichtungen zur Rotorblattverstellung
elektrisch zu versorgen und/oder anzusteuern.
-
2 zeigt
den Rotor 18 von vorne. Daraus ist nochmals die Anordnung
der Sensoreinrichtung 30 mit dem Sensor 32 koaxial
zur Rotordrehachse 16 ersichtlich.
-
Die
Anordnung der Sensoreinrichtung 30, welche das für
die Rotordrehgeschwindigkeit charakteristische Messignal erzeugt,
innerhalb der Rotornabe 22 besitzt den weiteren Vorteil,
dass dieses Messignal genau bzw. in der Nähe derjenigen
Stelle der Anlage 10 erzeugt wird, an welcher die Rotorblattverstellung
auszulösen ist. Für diese Auslösung können elektrische
oder hydraulische Schaltelemente vorgesehen sein, die z. B. unmittelbar
durch das innerhalb der Rotornabe 22 erzeugte Signal angesteuert
werden können, um eine Rotorblattverstellung im Bedarfsfall
zu bewirken (z. B. um in einem kritischen Betriebszustand die Rotorblätter 24 in
die Fahnenstellung zu bringen).
-
Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen
werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet,
jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung
der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf
die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich
auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele
verwiesen.
-
3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotors 18a,
bei welchem im Unterschied zu dem oben beschriebenen Rotor 18 eine
Sensoreinrichtung 30a aus drei Sensoren 32a-1 bis 32a-3 gebildet
wird. Die drei Sensoren 32a-1 bis 32a-3 sind wie
bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel innerhalb
einer Rotornabe 22a untergebracht, jedoch außerhalb
der Rotordrehachse 16a und in Umfangsrichtung verteilt
angeordnet. Jeweils einem der Rotorblätter 24a-1 bis 24a-3 ist
einer der Sensoren 32a-1 bis 32a-3 zugeordnet.
-
4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotors 18b,
bei welchem eine im Rotor 18b integrierte Sensoreinrichtung
von drei Sensoren 32b-1 bis 32b-3 gebildet ist,
die jeweils in einem der drei Rotorblätter 24b-1 bis 24b-3 untergebracht
sind.
-
Diese
Anordnung (radial außerhalb der Rotornabe) kann z. B. insbesondere
bei Ausbildung der Sensoren 32b als Beschleunigungssensoren
Vorteile bringen, da die bei einer bestimmten Drehzahl des Rotors
bewirkte Zentrifugalbeschleunigung bzw. bei einer Änderung
der Drehzahl bewirkte Änderung der Zentrifugalbeschleunigung
an weiter von der Rotordrehachse entfernten Stellen größer
und somit besser bzw. genauer messbar ist.
-
Abhängig
von den konkreten geometrischen Verhältnissen am Rotor 18b kann
bei dieser Ausführungsform der Sensoranordnung auch noch
ein weiterer Nutzen entstehen. Wenn nämlich bei einer Rotorblattverstellung
der oben bereits erwähnten Art (z. B. Rotorblattdrehung
in den Drehlagern 26b-1 bis 26b-3) ein radialer
Abstand zwischen der Rotordrehachse 16b und dem als Beschleunigungssensor
ausbildeten Sensor 32b-1, 22b-2 bzw. 32b-3 sich ändert, so
kann die entsprechende Änderung der Zentrifugalbeschleunigung
die Grundlage zur Ermittlung der Rotorblattstellung bezüglich
der Rotornabe 22b bilden. Mit anderen Worten kann dann
mittels der mitrotierenden Sensoreinrichtung nicht nur die Drehgeschwindigkeit
des Rotors 18b sondern auch die Drehstellung der einzelnen
Rotorblätter 24b erfasst bzw. überwacht
werden.
-
5 veranschaulicht
das Gesamtsystem einer Windenergieanlage 10c im Hinblick
auf die Zusammenwirkung einzelner, bei den obigen Ausführungsbeispielen
bereits beschriebener Komponenten.
-
Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält
eine Rotornabe 22c eine Sensoreinrichtung 30c mit
einem koaxial zu einer Rotorwelle 20c angeordneten Sensor 32c zur
Erfassung der Rotationsbewegung eines Rotors 18c.
-
Ferner
sind innerhalb der Rotornabe 22c zwei Verstelleinrichtungen 40c-1 und 40c-2 ersichtlich,
die jeweils einem von zwei Rotorblättern 24c-1 und 24c-2 zugeordnet
sind ("Pitch-System").
-
Die
Sensoreinrichtung 30c und die Verstelleinrichtungen 40c sind
in geeigneter Weise miteinander verbunden, um z. B. eine Auslösung
einer Rotorblattverstellung unmittelbar innerhalb der Rotornabe 22c zu
ermöglichen.
-
Außerdem
ist eine elektrische Leitungsanordnung 42c vorgesehen,
mittels welcher eine elektrische Versorgung von Rotorkomponenten
erfolgen kann und/oder elektrische Datensignale mit einer innerhalb
eines Maschinengehäuses 14c angeordneten Steuereinrichtung 44c ausgetauscht
werden können.
-
Die
Steuereinrichtung 44c steuert den gesamten Betriebsablauf
der Windenergieanlage 10c und steht hierfür in
Kommunikationsverbindung mit einem ansteuerbaren Getriebe 46c und
einem elektrischen Generator 48c. Mit der Bezugszahl 50c ist eine
Ausgangswelle des Getriebes 46c bezeichnet, welche gleichzeitig
die Eingangswelle des elektrischen Generators 48c bildet.
Der Generator 48c liefert die erzeugte elektrische Energie über
eine Leitungsanordnung 52c.
-
Die
Steuereinrichtung 44c steht außerdem in Kommunikationsverbindung
mit einem Sende/Empfangsmodul 54c zur Kommunikation mit
externen Einrichtungen, wie es z. B. bei einem Betrieb der betreffenden
Windenergieanlage in einem "Windpark" zweckmäßig
ist.
-
Mit
dem dargestellten System lässt sich in einfacher und zuverlässiger
Weise die Drehbewegung des Rotors 18c erfassen und bei
der Betriebsführung durch die Steuereinrichtung 44c berücksichtigen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10140793
A1 [0004, 0012]